CN1734995A - 用于传送数据帧的方法及系统 - Google Patents

Abstract

为了传送数据帧，从发送器的多个发送器天线中的每一个发送各自的数据帧。另外，作为在各自的数据帧内的预定数据类型的任意数据字段的功率被增强到该发送器的最大可用功率。因此，发送器的总可用功率被有效地用于发送以时间正交方式发送的诸如信道估计前导码的预定数据类型的数据字段。

Description

用于传送数据帧的方法及系统

技术领域

一般而言，本发明涉及无线通信，更具体而言，涉及一种用于发送和接收如下数据帧的方法及系统：所述数据帧具有用于诸如信道估计前导码这样的预定数据类型的数据字段的增强功率。

背景技术

在多输入多输出(MIMO)通信系统中，通过同时使用多个发送器天线和接收器天线，数据被高速传送而不用增加带宽。发送器天线通过多个信道同时发送不同的数据。这样的被发送信号在接收器的每个接收器天线中被混合和接收，其中所述接收器使用信道估计来分离所述被发送信号。

图1是说明一般MIMO通信系统的方框图。参照图1，该MIMO通信系统包括：带有三个发送器天线102、104和106的发送器100，以及带有四个接收器天线112、114、116和118的接收器110。此处的发送器天线和接收器天线的数目仅仅是示例性的。

进一步参照图1，在MIMO通信系统内传送的信号，通过在发送器天线102、104和106与接收器天线112、114、116和118之间的发送信道特征被变换。另外，噪声也被添加到所变换的信号中。随后，该信号在接收器内被接收。

假设由发送器天线102、104和106中的每一个发送的信号分别为x₁、x₂和x₃。另外，假设由接收器天线112、114、116和118中的每一个接收的信号分别为y₁、y₂、y₃和y₄。另外，假设在发送器天线102、104和106中的一个天线与接收器天线112、114、116和118中的一个天线之间的信道特征为Hnm(n为发送器天线的序号，n＝1、2或3；m为接收器天线的序号，m＝1、2、3或4)。在该情况下，由发送器天线102、104和106发送的信号与由接收器天线112、114、116和118接收的信号之间的关系，可以用下面的数学方程1来表示：

【方程1】

y₁＝H11·x₁+H21·x₂+H31·x₃+噪声

y₂＝H12·x₁+H22·x₂+H32·x₃+噪声

y₃＝H13·x₁+H23·x₂+H33·x₃+噪声

y₄＝H14·x₁+H24·x₂+H34·x₃+噪声

从而，由接收器天线112、114、116和118分别接收到的信号y₁、y₂、y₃和y₄的每一个均由分别从发送器天线102、104和106发送的信号x₁、x₂和x₃的组合构成。信号y₁、y₂、y₃和y₄的每一个都可由接收器110来测量。如果将噪声从公式1中消除，则可以从具有已知的x₁、x₂、x₃、y₁、y₂、y₃和y₄的一阶方程1来确定信道特征Hnm。

另外，即使带有噪声，可以确定使用矩阵的最小均方误差(MMSE)，以便可以从所测量的信号y₁、y₂、y₃和y₄中来确定所发送的信号x₁、x₂和x₃。在任何情况下，对于图1的MIMO通信系统的性能，信道特征(即信道系数)Hnm的估计是基本的。

进一步地，在图1的MIMO通信系统中，按照IEEE 802.11a标准的正交频分复用(OFDM)格式来发送和接收数据帧。在这样的标准中，使用作为每个发送器天线的数据帧的一部分而被发送的前导码来执行信道估计。

图2示出由图1的每个发送器天线102、104和106(分别为Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)发送的、按照OFDM格式的数据帧。参照图2，每个数据帧包括：包含短前导码和长前导码的前导字段、报头字段和有效负载字段。

依据IEEE 802.11a标准，短前导码和长前导码的每一个都包括多个迭代训练序列。因此，短前导码包括被迭代十次的短训练序列，而长前导码包括被迭代两次的长训练序列。

短前导码用于接收器中的自动增益控制(AGC)会聚(convergence)、定时同步和粗频率同步。长前导码用于接收器中的信道估计和精频率同步。从而，长前导码在后文中也被称为“信道估计前导码”。报头字段包括信号字段信息(RATE、LENGTH)，用于解码在包括所发送数据的有效负载字段中的数据。这样的数据字段分别被本领域技术人员所熟知。

进一步参照图2，发送器天线(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)同时发送不同的数据(Data1、Data2和Data3)。另一方面，发送器天线(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)以时间正交方式来发送信道估计前导码(long1、long2和long3)。这样，使用时间迟延(time lags)(空时间段)，以便信道估计前导码(long1、long2和long3)的发送不会重叠。例如，当由第一发送器天线102(Tx_ANT1)发送信道估计前导码(long1)时，第二和第三发送天线104和106(Tx_ANT2和Tx_ANT3)处于空时间段而无数据发送。

图3说明了图2的数据帧的信号功率。一般而言，图1的发送器100具有有限的总可用功率。在图1的现有技术的MIMO通信系统中，每个发送器天线(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)使用被划分的功率，所述被划分的功率为发送器100的总可用功率除以发送器天线102、104和106的数目。

参照图2和图3，由于以时间正交方式来发送信道估计前导码(long1、long2和long3)，所以在用于发送信道估计前导码的发送器天线102、104和106之一中使用的发送功率仅仅是发送器100的总可用功率的三分之一。因此，在现有技术中，发送器100的总可用功率的三分之二在信道估计前导码(long1、long2和long3)的发送期间被浪费了。

发明内容

因此，发送器的总可用功率被有效地用于发送诸如信道估计前导码这样的预定数据类型的数据字段。

依据本发明的一般方面，在传送数据帧的方法和系统中，从发送器的多个发送器天线中的每一个发送各自的数据帧。另外，作为在各自的数据帧内的预定数据类型的任意数据字段的功率被增强到发送器的最大可用功率。

在本发明的一个示例性实施例中，预定数据类型用于信道估计前导码。在这种情况下，接收由发送器天线发送的各自的数据帧，用于从信道估计前导码来确定信道系数。该信道系数用于确定是否任意信道估计前导码被增强，如果任意信道估计前导码被增强则调整信道系数。使用信道系数来解码各自的数据帧的有效负载字段。

在本发明的另一实施例中，当任意信道估计前导码被增强时信道系数被增大。因此，为确定是否任意信道估计前导码被增强，使用信道系数来确定数据帧的报头字段中的码元的信号功率。然后将该信号功率与阈值比较，如果信号功率低于阈值则确定信道估计前导码已被增强。

在本发明的进一步实施例中，生成非预定数据类型的数据字段，所述非预定数据类型的数据字段具有划分的功率，所述划分的功率是发送器的总可用功率除以发送器天线的数目。

在本发明的一个示例性实施例中，在发送器天线的各自的数据帧内的预定数据类型的数据字段具有时间正交性。

对于使用IEEE 802.11a标准的帧结构的MIMO通信系统，本发明的使用可能具有独特优点。以此种方式，信道估计前导码以对于高信噪比的增强功率被发送，从而信道系数可以被更精确地确定。

附图说明

当参照附图对本发明的示例性实施例详细描述时，本发明的上述和其它特征以及优点将变得更加清楚，其中：

图1示出根据现有技术的、具有多个天线的MIMO通信系统；

图2示出根据现有技术的、由图1的发送器天线发送的数据帧；

图3示出根据现有技术的、在图2的数据帧中的数据字段的信号功率；

图4示出根据本发明一个实施例的、由图11的发送器天线所发送的、带有增强功率的信道估计前导码的数据帧；

图5示出根据本发明一个实施例的、图4的数据帧中的数据字段的信号功率；

图6示出根据本发明一个实施例的、用于确定被应用到数据帧的有效负载字段的信道系数的步骤的流程图；

图7图解了具有增强功率对无增强功率的信道估计前导码的星座点(constellation point)的对照；

图8示出根据本发明一个实施例的、用于确定信道估计前导码是否具有被增强的功率的步骤的流程图；

图9示出由具有增强功率的信道估计前导码与具有未增强的功率的信道估计前导码得到的仿真信道估计结果；

图10A图解了对于QPSK调制的数据帧，由具有增强功率的信道估计前导码与具有未增强的功率的信道估计前导码得到的误码率；

图10B图解了对于16QAM调制的数据帧，由具有增强功率的信道估计前导码与具有未增强的功率的信道估计前导码得到的误码率；

图10C图解了对于64QAM调制的数据帧，由具有增强功率的信道估计前导码与具有未增强的功率的信道估计前导码得到的误码率；

图11示出根据本发明的一个实施例的、具有用于增强发送的信道估计前导码的功率的部件的MIMO通信系统。

在此引用的附图是为说明的清楚而绘制的，并且不必依照比例来绘制。在图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10A、10B、10C和11中具有相同参考数字的单元是指具有类似结构和/或功能的单元。

具体实施方式

图11示出依据本发明的一个实施例的MIMO通信系统200的方框图。该系统200包括：发送器201，带有多个发送器天线202、204和206(分别为Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)。另外，系统200包括接收器211，带有多个接收器天线212、214、216和218(分别为Rx_ANT1、Rx_ANT2、Rx_ANT3和Rx_ANT4)。

此外，发送器201包括：数据源222、编码器224、以及调制器226。接收器211包括：解调器232、带有存储设备236和数据处理器238的解码器234、以及数据接收器(data sink)240。

数据源222生成将由发送器201发送的数据。该数据由编码器224编码为具有IEEE 802.11a标准的帧结构的数据帧。调制器226将该数据帧调制到载波信号上，用于由发送器天线202、204和206发送。

依据本发明的一个实施例，图4说明了来自调制器226的、具有增强功率的信道估计前导码的数据帧。参照图4和图11，调制器226增强由发送器天线202、204和206发送的每个信道估计前导码(long1、long2和long3)的发送功率。图5示出图4的数据帧的数据字段的信号功率。

依据本发明的一个实施例，调制器226将每个信道估计前导码(long1、long2和long3)的功率增强到发送器201的最大可用功率。参照图4，注意：以时间正交方式从发送器天线202、204和206发送信道估计前导码(long1、long2和long3)。

这样，当第一发送器天线202发送相应的信道估计前导码long1时，第二和第三发送器天线204和206处于空状态且不发送数据。类似地，当第二发送器天线204发送相应的信道估计前导码long2时，第一和第三发送器天线202和206处于空状态且不发送数据。最后，当第三发送器天线206发送相应的信道估计前导码long3时，第一和第二发送器天线202和204处于空状态且不发送数据。

这样，参照图5和图11，当在一个时刻发送器天线202、204和206中的任意一个正在发送信道估计前导码(long1、long2和long3)之一时，该信道估计前导码的功率被增强到发送器201的总可用功率。另一方面，由每一发送器天线(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)发送的其它数据字段，诸如短前导码、报头字段和有效负载字段的发送功率是发送器201的总可用功率的三分之一。

采用这样的用于发送信道估计前导码(long1、long2和long3)的增强功率，该数据的传送的信噪比(SNR)被提高了。这样，在接收器211内使用这样的前导码(long1、long2和long3)的信道估计更加精确。

接收器211经由接收器天线212、214、216和218(Rx_ANT1、Rx_ANT2、Rx_ANT3和Rx_ANT4)接收图4中的数据帧。该接收器211使用短前导码执行AGC、符号边界检测(SBD)、以及粗频率同步。另外，接收器211使用信道估计前导码(long1、long2和long3)执行信道估计和精频率同步。

这样的信道估计用于确定应用于报头字段的信道系数，用于提取进一步的信息，诸如数据帧的码率和长度，以及用于解码有效负载字段的数据。然而，从带有增强功率的信道估计前导码中确定的信道系数被相应地增加到与乘以发送器天线数目的平方根一样大。该增大的信道系数导致解码错误。

因此，在本发明的一个实施例中，若信道估计前导码具有增强的功率，则如图6的步骤所描述的那样调整信道系数。参照图6，接收器211使用信道估计前导码确定信道系数(图6的步骤S602)。通过将该信道系数应用于报头字段，提取信息(诸如数据帧的码率和长度)(图6的步骤S604)。

进一步参照图6，接收器211确定信道估计前导码的功率是否被增强(图6的步骤S606)。若信道估计前导码的功率被增强，则相应于该增强的功率调整信道系数(图6的步骤S608)，且将所调整的信道系数用于解码有效负载字段(图6的步骤S610)。另一方面，若信道估计前导码的功率未被增强，则步骤S602中确定的信道系数被用于解码有效负载字段(图6的步骤S610)而不需要步骤S608。

在本发明的一个示例性实施例中，通过检测报头字段中的码元的信号功率来执行对信道估计前导码的功率是否被增强的确定。图7说明了使用为具有四个发送器天线和四个接收器天线的MIMO通信系统所估计的信道系数的报头字段的星座点(constellation point)。

参照图7，使用二进制相移键控(BPSK)调制和发送依据IEEE 802.11a标准构成的报头字段。因而，当从不具有增强功率的信道估计前导码中确定信道系数时，包括在报头字段内的每个码元的星座点均处于1或-1。相反地，当信道估计前导码具有增强的功率时，信道系数被增大，每个码元的星座点均相应地降低到1/(增强的功率)/和-1/(增强的功率)。

因而，使用由具有增强功率的信道估计前导码所估计出的信道系数而提取出的报头字段码元的信号功率比较小。因此，为了确定信道估计前导码是否已被增强，比较该信号功率和阈值(Th)，如图8所示。参照图8，确定包含在报头字段内的码元的信号功率(Hsp)(图8的步骤S802)。

比较该信号功率(Hsp)和阈值(Th)(图8的步骤S804)。该阈值(Th)可能为当信道估计前导码不具有增强功率时检测到的信号功率。当该信号功率(Hsp)低于该阈值(Th)时，信道估计前导码的功率被确定为被增强(图8的步骤S806)。否则，信道估计前导码的功率被确定为未被增强(图8的步骤S808)。

在本发明的一个示例性实施例中，接收器211的解码器234内的存储设备236在其内部存储了指令序列。该指令序列由解码器234内部的数据处理器238来运行以执行图6和图8中的步骤。接收器天线212、214、216和218以及解调器232接收图4的所发送的数据帧，且解码器234处理该接收到的数据帧以执行图6和图8的步骤。

图9、图10A、图10B和图10C说明了仿真结果，该仿真结果指示当信道估计前导码的功率被增强时的MIMO通信系统的增强的性能。例如，图9说明了在具有四个发送器天线和四个接收器天线的MIMO通信系统内的信道估计的仿真结果。

参照图9，粗实线代表在理想情况下的实际信道特征，虚线代表从不具有增强功率的信道估计前导码中估计的信道特征，细实线代表从依据本发明的带有增强功率的信道估计前导码中估计的信道特征。图9说明细实线更接近粗实线，即从带有增强功率的信道估计前导码中可得更准确的信道估计。

另外，MIMO通信系统内的更多数量的发送天线导致信道估计的更高的精确度。这是因为对于更多数目的发送天线，信道估计前导码的功率被以更高的功率比增强。换言之，信道估计前导码的数据字段的功率与其它类型数据的数据字段的功率的比值为发送天线的数目。

对于各种调制方法，这种信道估计的更高精度带来了与信噪比相比的降低的误码率(BER)。图10A、图10B和图10C示出了对于不同调制方法，具有增强功率和不具有增强功率的信道估计前导码的误码率与信噪比的特征关系曲线。

图10A、图10B和图10C的仿真结果来自具有四个发送器天线和四个接收器天线的MIMO通信系统的MATLAB(公知的仿真应用程序)。另外，该仿真用于不采用卷积编码器的未编码系统。更合适地，采用在具有50纳秒的延迟扩展的指数信道环境中的viterbi解码器。此外，采用IEEE 802.11a标准的帧结构对单独的1024字节的数据帧重复进行仿真1000次。

图10A示出依据四相移键控(QPSK)调制所调制的数据帧的仿真特征曲线，图10B示出依据16QAM(正交幅度调制)调制的数据帧的仿真特征曲线，图10C示出依据64QAM调制的数据帧的仿真特征曲线。对于本领域技术人员来说，这样的QPSK、16QAM和64QAM分别是公知的。

如图10A、图10B和图10C所示，当信道估计前导码的功率被增强时，对于图10A、图10B和图10C的每一种调制方法，误码率均被降低。如图所示，对于QPSK调制约有1.5dB的改进，对于16QAM调制有2dB至2.5dB的改进，对于64QAM调制约有1.5dB的改进。

虽然已参照本发明的示例性实施例对本发明进行了具体的展示和描述，但是本技术领域人员应该理解：在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式与细节上进行各种改变。

因此，前述仅仅是作为示例，而并非受限于此。例如，尽管本发明被采用增强信道估计前导码的功率来进行描述，但是也可以增强具有其它预定的数据类型的数据字段的功率，特别是在MIMO通信系统中，以时间正交方式从从多个发送器天线发送多个数据帧中的这样的数据字段时。另外，在此描述和说明的任何元件的数量都仅仅是举例。

本发明仅被限制为如在所附权利要求及其等价物中所限定。

本申请要求于2004年8月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2004-63857号的优先权，其公开内容通过引用方式在此被整体包含。

Claims (20)

1、一种传送数据帧的方法，包括：

从发送器的多个发送器天线中的每一个发送各自的数据帧；以及

将作为各自数据帧中的预定数据类型的任意数据字段的功率增强到发送器的最大可用功率。

2、根据权利要求1所述的方法，其中预定数据类型用于信道估计前导码。

3、根据权利要求2所述的方法，还包括：

接收由发送器天线发送的各自的数据帧；

从接收到的数据帧的信道估计前导码确定信道系数；

使用信道系数来确定任意信道估计前导码是否被增强；以及

如果任意信道估计前导码被增强，则调整信道系数。

4、根据权利要求3所述的方法，还包括：

使用信道系数解码各自的数据帧的有效负载字段。

5、根据权利要求3所述的方法，其中当任意信道估计前导码被增强时，信道系数增加。

6、根据权利要求5所述的方法，其中确定任意信道估计前导码是否被增强包括：

使用信道系数确定数据帧的报头字段中的码元的信号功率；

将该信号功率与阈值比较；以及

如果信号功率低于阈值，则确定信道估计前导码被增强。

7、根据权利要求1所述的方法，还包括：

生成带有划分的功率的、非预定数据类型的数据字段，所述划分的功率是将发送器的总可用功率除以发送器天线的数目。

8、根据权利要求7所述的方法，其中不是预定数据类型的数据帧的数据字段包括：短前导码、报头字段、以及有效负载字段。

9、根据权利要求1所述的方法，其中发送器天线的各自的数据帧内的预定数据类型的数据字段具有时间正交性。

10、根据权利要求1所述的方法，其中发送器天线的各自的数据帧每一个均具有IEEE 802.11a标准的帧结构。

11、一种传送数据帧的方法，包括：

接收从发送器的多个发送器天线中的每一个发送的各自的数据帧；

从接收到的数据帧的信道估计前导码确定信道系数；

使用信道系数来确定是否任意信道估计前导码被增强；以及

如果任意信道估计前导码被增强，则调整信道系数。

12、根据权利要求11所述的方法，其中信道系数用于解码数据帧的有效负载字段。

13、根据权利要求11所述的方法，其中当任意信道估计前导码被增强时信道系数增大。

14、根据权利要求13所述的方法，其中确定任意信道估计前导码是否被增强包括：

使用信道系数来确定数据帧的报头字段中的码元的信号功率；

将该信号功率与阈值比较；以及

如果信号功率低于阈值则确定信道估计前导码已被增强。

15、一种用于传送数据帧的系统，包括：

发送器，用于从多个发送器天线中的每一个发送各自的数据帧；和

发送器内的调制器，用于将作为各自的数据帧内的预定数据类型的任意数据字段的功率增强到发送器的最大可用功率。

16、根据权利要求15所述的系统，其中预定数据类型用于信道估计前导码。

17、根据权利要求16所述的系统，还包括：

接收器，用于接收由发送器天线发送的各自的数据帧；和

接收器内的解码器，该解码器具有存储设备，指令序列被存储在其中，其中由解码器对指令序列的执行导致解码器执行以下步骤：

从接收到的数据帧的信道估计前导码来确定信道系数；

使用信道系数来确定是否任意信道估计前导码被增强；以及

如果任意信道估计前导码被增强则调整信道系数。

18、根据权利要求17所述的系统，其中由解码器对指令序列的执行导致解码器进一步执行步骤：

使用信道系数解码各自的数据帧的有效负载字段。

19、根据权利要求17所述的系统，其中当任意信道估计前导码被增强时信道系数增大。

20、根据权利要求19所述的系统，其中由解码器对指令序列的执行导致解码器进一步执行步骤：

使用信道系数来确定数据帧的报头字段中的码元的信号功率；

将该信号功率与阈值比较；以及

如果信号功率低于阈值，则确定信道估计前导码已被增强。

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